Ученые Московского физико-технического института научились синтезировать атомно-тонкие пленки дисульфида молибдена (MoS2) на площади до нескольких десятков квадратных сантиметров. Они показали, что структурой MoS2 можно управлять путем изменения температуры синтеза. Пленки, востребованные в электронике и оптоэлектронике, были получены в МФТИ при температурах 900–1000 °С. Результаты работы опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials, кратко о них сообщает пресс-релиз МФТИ.
Двумерные (2D) материалы вызывают большой интерес благодаря уникальным свойствам, вызванным особенностями структуры и действием квантово-механических ограничений. Среди таких материалов есть металлы, полуметаллы, полупроводники и изоляторы. Наиболее известный 2D-материал, графен, представляет собой монослойную пленку углерода, обладающую рекордной подвижностью носителей заряда. Однако отсутствие запрещенной зоны при нормальных условиях ограничивает его применимость. В отличие от графена, дисульфид молибдена MoS2 обладает оптимальной шириной запрещенной зоны для использования в электронных приборах. Каждый слой MoS2 представляет собой сэндвич: слой атомов молибдена в окружении слоев атомов серы. Чрезвычайно перспективными также считаются 2D-ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, получаемые комбинированием различных 2D-материалов. Они уже находят широкое применение в энергетике и катализе. Двумерный дисульфид молибдена может обеспечить прорыв в создании прозрачных и гибких электронных устройств, оптической коммуникации в компьютерах нового поколения и других направлениях электроники и оптоэлектроники.
«Разработанный метод синтеза MoS2 содержит два этапа. На первом этапе методом атомно-слоевого осаждения (АСО) выращивается пленка МоО3. Особенность этого процесса — контролируемость толщины с точностью до одного атомного слоя и конформное покрытие любых поверхностей. При этом MoO3 может легко быть получен на пластинах вплоть до 300 мм в диаметре. На втором этапе проводится термохимическая обработка в парах серы. В результате кислород замещается серой и образуется соединение MoS2. Уже сейчас мы научились синтезировать атомно-тонкие пленки дисульфида молибдена (MoS2) на площади до нескольких десятков квадратных сантиметров», — рассказывает научный руководитель лаборатории атомно-слоевого осаждения МФТИ Андрей Маркеев.
Ученые МФТИ выяснили, что структура получаемой пленки зависит от температуры сульфидирования. При 500 °С получается аморфная структура с кристаллическими включениями размером несколько нанометров. При 700 °С пленка содержит кристаллиты размером около 10–20 нм. При этом слои S-Mo-S ориентированы перпендикулярно поверхности. Таким образом, на поверхности образуется много оборванных связей. Такая структура обладает высокой каталитической активностью по отношению ко многим реакциям, в том числе реакции выделения водорода. Для использования MoS2 в электронике нужно, чтобы слои S-Mo-S были ориентированы параллельно поверхности. Такая структура образуется при температуре сульфидирования 900–1000 °С. Данный способ позволяет получать пленки толщиной от 1,3 нм (что соответствует двум молекулярным слоям) на коммерчески значимых площадях.
Синтезированные при оптимальных условиях пленки MoS2 были внедрены в опытные образцы МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник) на основе сегнетоэлектрического HfO2, условно моделирующих работу полевого транзистора. В данных структурах пленка MoS2 играла роль полупроводникового канала, проводимостью которого можно управлять направлением поляризации сегнетоэлектрического слоя. Разработанный ранее в данной лаборатории МФТИ сегнетоэлектрический материал La:(HfO2-ZrO2) в контакте с MoS2 продемонстрировал остаточную поляризацию около 18 мкКл/см2, а ресурс переключений составил около 5×106 циклов, что превосходит достигнутый общемировой результат при использовании кремниевого канала (не более 105 переключений).
